图像传感器检测系统

第六章§6.1固体图像传感器检测技木第六章图像传感器检测系统第六章电荷耦合器件第六章•电荷耦合器件(charge—CoupledDevices)简称CCD，是1970年由美国贝尔实验室首先研制出来的新型固体器件。作为MOS技术的延伸而产生的一种半导体器件。第六章•CCD作为一种多功能器件，有三大应用领域：摄像、信号处理和存贮。特别是在摄像领域，作为二维传感器件，CCD与真空摄像器件相比，具有无灼伤，无滞后，体积小，低功耗、低价格、长寿命等优点。第六章•广播级电视摄像机中，CCD摄像机可与真空器件摄像机“平分秋色”。而在闭路电视、家庭用摄像方面，CCD摄像机则呈现出“一统天下”的趋势。•在工业、军事和科学研究等领域中的应用，如方位测量、遥感遥测、图像制导，图像识别等方面更呈现出其高分辫力，高准确度，高可靠性等突出优点。第六章•图像传感器实际上只能记录光线的灰度，也就是说，它能记录光线的强弱，但却没有办法分辨颜色，而我们最需要的却是光线的颜色。目前CCD主要的解决方式是在每一个光电二极管上都采用了滤光器，使对应的光电二极管只能记录相应单色光。第六章•各种单色分别被相邻的光电二极管记录下来，生成的图像颜色是分离的，最后还需要通过一些处理过程把这些数值合成为彩色的图像。数码相机里面，这个处理过程称之为插值。通常的做法是计算1个像素周围8个像素的颜色值，然后根据它自身所记录的颜色值，结合计算出最终像素的混合颜色值。第六章•CCD摄像机技术的发展趋势及应用前景由于CCD摄像机所具有的各种突出优点，所以从发明至今仅20多年其发展速度惊人。近10年来，CCD摄像机的应用已深入到各个领域，可以说是跨行业、跨专业多方面应用的一种光电产品。它的用量以每年20%的速度递增。具不完全统计，1997年—1998年仅中国大陆彩色和黑白CCD摄像机的用量就达60-70万台，这些产品大多数来自国外或者由台湾地区和国内组装。从1998年日本出版的《技术市场》杂志获悉,世界上已把CCD列为未来10年可能增益100倍的高技术产品.据国外专家统计,1997年CCD世界市场规划为16亿美元,而实际上1997年为50亿美元,1998年为65亿美元.日本松下公司对CCD摄像机的世界市场进行了统计和预测,如表1所示。一、概述由于CCD摄像机所具有的各种突出优点，所以从发明至今仅20多年其发展速度惊人。近10年来，CCD摄像机的应用已深入到各个领域，可以说是跨行业、跨专业多方面应用的一种光电产品。它的用量以每年20%的速度递增。一、概述第六章•CCD传感器有两种•第一、特殊CCD传感器，如红外CCD芯片（红外焦平面阵列器件）、高灵敏度背照式和电子轰击式CCD、EBCCD等，另外还有大靶面如2048×2048、4096×4096可见光CCD传感器、宽光谱范围（紫外光→可见光→近红外光→3-5μm中红外光→8-14um远红外光)焦平面阵列传感器等。目前已有商业化产品,并广泛应用于各个领域。第六章CCD摄像机应用领域的发展趋势•1、CCD摄像机的应用领域•CCD摄像机应用领域在不断的扩展，应用技术的深化又促进CCD摄像机的多样化产品的生产。•总体有MOBILE、PUBLIC、HOME三个方面，其中有：第六章•（1）Camcorder摄录一体化CCD摄像机。从中国电子工业部市场预测数据获悉，2000年需求量可达150万台。•（2）TVphone据资料介绍，有些移动电话公司正在研发可带视频图像摄入和显示的手机即大哥大。第六章•（3）PCcamera到21世纪初叶，随着电脑网络系统的发展，PCCamera作为电脑前端和图像输入系统，CCD摄像机将以不可阻挡的发展势头深入到各种电脑应用的方方面面，也会很快进入家庭。借助电脑网络，实现音、视频同步远程通讯。预计到2000年，我国PC机年销量将为1056万台，仅按计算机配套率20%估算，PCcamera的需求量将为211.2万台。第六章•（4）Doorphone随着住宅商品化，各种现代化住宅楼像雨后春笋般拨地而起，民用住宅的安全防范已提到日程上来，许多住宅可在室内及时地看到来访客人的实时图像和室外局部区域的情况，也为防范坏人入室作案起到有效的监控作用。第六章•（5）Scanner由于计算机网络的普及，所以为了提高各种资料、文字的输入速度，可采用各种扫描仪，读取经过文字识别的资料，可将读入的文字资料转换成文件存入计算机进行编辑，以便在网络上交流。按PC机配套率10%计算，可需线阵和面阵CCD传感器105.6万台。第六章•（6）BarCodeRegister（BCR）条形码记录器在各种商业流通领域如商场、仓储连锁店等普遍采用。条形码物品记录识别系统与计算机联网可随时取得各种数据。•（7）Medical医用显微内窥镜利用超小型的CCD摄像机或光纤图像传输内窥镜系统，可以实现人体显微手术，减小手术刀口的尺寸，减小伤口感染的可能性，减轻病人的痛苦。同时还可进行实时远程会诊和现场教学。第六章•（8）VehicleCamera在各种车辆中加装CCD摄像机可以使驾驶人员借助车内CCD摄像机、车上的后视镜系统和驾驶员前面的显示器，不仅可随时看到车内的情况，而且可在倒车时观察后面的道路情况，在向前行进过程中也能随时看到后方车辆所保持的距离，提高了行车安全。第六章•（9）ClosedCircuitTelevision（CCTV）CCTV是近几年被大家广泛注意的电视监控系统，目前，已发展成为一种新的产业。以CCD摄像机为主要前端传感器，带动了一系列各种配套的主机和配套设备以及传输设备的研制和生产企业。第六章•（11）PersonalDataAssistant（PDA）个人数据秘书系统是一种体积小于笔记本的电脑，是功能齐全的计算机系统，可以完成多种数据管理功能，并可借助移动电话上的Internet网进行远程传送资料、发传真等。第六章•（12）DigitalSignalCamera（DSC）数码照相机是近两三年投放市场的一种新型照相机。由CCD传感器采集的图像信号经过数字处理后，可被记录在磁卡上，由计算机读取磁卡上的图像数据再现出图像，并可借助各种图像处理软件进行图像编辑和图像处理。第六章1CCD的物理基础•CCD是基于MOS(金属—氧化物—半导体)电容器在非稳态下工作的一种器件。因此，必须了解MOS电容器的稳态和非稳态工作及其与CCD的关系。第六章1.1稳态下的MOS电容器•(一)理想MOS系统•MOS结构如图13—l所示。在硅片上，生长一层SiO2层F，厚度为dox再蒸镀上一层金属铝作为栅电极。硅下端制成欧姆接触，便构成一个MOS二极管或MOS电容器。VG为加在栅电极上的偏压，当栅电极对地为正时，则VG为正；反之，VG为负。第六章•半导体作为底电极，称为“衬底”。衬底分为P型硅衬底和N型硅衬底，它对应不同的沟道形式，由于电子迁移率高，所以，大多数CCD选用P型硅衬底。下面以P型硅衬底MOS电容器为参照进行说明。第六章•MOS电容器的状态是随栅极电压VG的变化而不同的。在VG为零时，Si表面没有电场的作用，其载流子浓度与体内一样。Si本身呈电中性，电子能量从体内到表面都相等，所以能带是平坦的，不存在表面空间电荷区。这种状态称为“平带状态”。第六章当在栅极加上电压，即VG不为零时，Si表面的电荷和电势分布可通过求解下面的泊松方程式得到：式中，ρ为电荷密度；ε为硅的介电常数。下面分三种情况讨论：第六章1．VG＜0的多数载流子积累状态当在金属栅极上加上直流负偏压，即VG＜0时，电场使Si内一部分可移动空穴集中到Si—SiOz界面，在Si表面形成多数载流子积累层。这种状态称为“积累状态”。当达到热平衡时，VG的一部分降落在SiOz层内，其余部分将作用于半导体表面而引起表面势Vs。由于Vs＜0，则-eVs＞0，表面处能带向上弯曲，从而导致表面附近的价带中比体内有更多的空穴，使表面呈现强P型。第六章•为了保持MOS系统的电中性条件，金属栅极上的负电荷与半导体积累层中的正电荷正好相互补偿。但金属的费米能级与半导体的费米能级并不相等，即EFM≠EFS，其差值正好是VG与电子电荷的乘积。若此时在VG上叠加交流小信号时，积累在界面处的空穴数将相应于交流信号的变化而变化。第六章交流响应的时间为τ＝ρε。ε，这里ρ是硅电阻率。硅的响应时间τ约为10-12S所以，积累状态下可将半导体衬底同金属板一样对待，则每单位栅面积下的MOS电容为•式中，εox为SiOz的介电常数。第六章2．VG＞0的多数载流子耗尽状态当在栅电极上加上VG＞0的小电压时，P型衬底中的空穴从界面处被排斥到衬底的另一侧，在Si表面处留下一层离化的受主离子，这种状态称为多数载流子“耗尽状态”。这种情况相当于MOS电容器充负电。可将空间电荷区中的负电荷密度写为第六章但由于是P型村底，故ND≈0；在耗尽时，空间电荷区中p(x)NA,空间电荷区中的电子浓度n(x)NA,所以，在耗尽近似下，上式可简化为第六章该充电区域(空间电荷区)称为耗尽层。此时表面势VS＞0，则-eVS＜0，表面处能带向下弯曲，如图所示。由于能带弯曲，越接近表面，费米能级EFS与价带顶E+的间隔越大，构成空穴势垒，表面处空穴浓度比体内少，甚至于完全没有空穴，即多子从表面耗尽。第六章耗尽层中的电势分布可通过求解泊松方程得出，即用x＝xd处，V＝0,即体内电势为零，及dV/dx＝0的边界条件求解上式，得第六章式中，xd为耗尽层厚度，坐标原点取在Si—SiO2界面上。第六章当x＝0时，表面势如下由此可求得耗尽层厚度为空间电荷区内单位面积的电荷量为第六章界面处的电场为第六章栅电压VG为SiO2中的电压降和表面势之和当栅电压有微小变化ΔVG时，有第六章•栅电极中的电荷量与硅中的电荷量大小相等，符号相反。若ΔVG引起电极上电荷量的变化为ΔQ，则第六章写成电容形式，即有(13一16)式中，为耗尽层电容。从上述各式可得到栅电容与栅电压VG的函数关系如下(13一17)第六章•表面势的概念对理解电荷耦合器件工作原理是很重要的，由可知，在一定的掺杂浓度下，表面势VS与栅极偏压VG有关，因为xd与VG有关。第六章3．VG＞Vth＞0的反型状态在上述基础上正电压VG进一多增加，表面处能带相对体内进一步向下弯曲，当VG超过某一阈值时，将使得表面处禁带中央能级Ei降到EFS以下，导带底E-离费米能级置EFS，更近一些。这表明表面处电子浓度超过空穴浓度，已由P型变为N型。这种情况称之为“反型状态”。而从图中还可看出，反型层到半导体内部之间还夹有一层耗尽层。第六章第六章反型状态可分为弱反型和强反型两种情况。当表面势VS增加到正好等于体内费米势φF时，在表面EF达到Ei，表明表面处电子浓度开始超过空穴浓度。这种情况称为“弱反型”。第六章所谓强反型状态定义为表面处反型载流子浓度ns已达到体内多数载流子p0的浓度，即nsp0表面处电子浓度可写为式中，no和p0分别为p型半导体内热平衡时的电子浓度和空穴浓度。第六章•通常发生强反型的条件写成从式中可以看出，半导体衬底掺杂浓度NA越高，半导体表面越不易反型。第六章•在强反型状态下，表面处电子浓度随VS增加呈指数地增长，而VS随耗尽层宽度xd呈二次函数增加。因此，一旦出现反型层，即使提高栅电压，使栅极的正电荷进一步增加，但由于反型层中的电子也增加而维持平衡，结果耗尽层宽度几乎不变，即达到耗尽层宽度最大值。可得第六章该式也表明在一定温度下，NA越大，则xdmax越小。聚集在反型层中的电子由耗尽层中的热激发产生的电子—空穴对供给。由于这种机构产生比较缓慢，即使在直流电压上叠加上小的交流电压，反型层的电子数也不能响应这种交流变化。所以在强反型状态下，耗尽层达到最大宽度xdmax而且不随VG而变化，MOS电容将达到极小值并大致保持恒定。第六章•在MOS结构中，表面出现强反型状态时对应的外加偏压VG称为阈值电压(又叫开启电压)，常用Vth表示。第六章•从图中的能带看到，对表面反型层的电子来说，一边是SiO2绝缘层，它的导带比半导体高许多。另一边是弯